tổng quan quá trình chế biến khí

Chương 4


4.1. Tổng quan về khí thiên nhiên
4.1.1. Đặc điểm, thành phần và phân loại
Đặc điểm khí thiên nhiên
• Khí thiên nhiên được khai thác từ giếng khí hay dầu.
• Tùy thuộc vào đặc tính của từng giếng mà khi khai thác có
những tạp chất và thành phần khác nhau.
• Khí thiên nhiên là khí không màu, không mùi (có mùi là do
mecaptan cho vào).
• Khí thiên nhiên có tính cháy sạch.
• Thành phần chủ yếu của khí thiên nhiên là metan (CH4).
• Tỷ trọng của khí thiên nhiên đối với không khí dao động trong
khoảng rộng từ 0,55 - 1,1.
• Nhiệt cháy cao.


4.1. Tổng quan về khí thiên nhiên
4.1.1. Đặc điểm, thành phần và phân loại
Đặc điểm khí thiên nhiên
Bảng 4.1. Thành phần của các loại khí thiên nhiên
KHÍ KHÔNG ĐỒNG HÀNH

KHÍ ĐỒNG HÀNH

Thành phần
(%mole)

Australia
(N.W.Sheif)

Algeria
(Hassi
R’Mel)

Newzealand
(Kapuni)

Northsea
(West Sole)

Abu
Dhabi
(Zakum)

North Sea
(Forties)

North
Sea
(Brent)

N2
CO2
H2S
CH4
C2H6
C3H8
C4H10
C5H12+

1.0
3.2
3.2
85.3
5.8
2.0
0.8
1.9

6.1
0.2
0.2
83.5
7.0
2.0
0.8
0.4

1.0
44,9
4,49
46.2
5.2
2.0
0.6
0.1

1.2
0.5

0.5
94.3
3.1
0.5
0.2
0.2

0.7
2.3
0.6
72.0
13.9
6.5
2.6
1.4

1.2
0.7
0.7
46.5
13.2
19.8
10.6
8.0

0.9
0.9
0.9
74.0
12.4

7.5
2.9
1.4


4.1. Tổng quan về khí thiên nhiên
4.1.1. Đặc điểm, thành phần và phân loại
Thành phần khí thiên nhiên
Hydrocacbon no:
chủ yếu từ C1 - C4,
C4 - C7 ít hơn
Tsôi, °C

Trạng thái ở T
và P thường

Metan
Etan
Propan
iso-Butan
n- Butan

-161,5
-88,5
-42,5
-12,1
-0,5

Khí

iso-Petan
n-Petan
n-Hexan
n-Heptan
n-Octan

27,9
36,1
69,0
98,4
125,6

Lỏng

Tên

Phi hydrocacbon:
H2O (hơi, lỏng), N2, CO2,
H2S, COS, CS2, RSH, H2,
He…

Có một số là tạp chất cần phải tách
để không ảnh hưởng đến quá trình
chế biến sau...


4.1. Tổng quan về khí thiên nhiên
4.1.1. Đặc điểm, thành phần và phân loại
Thành phần khí thiên nhiên
Metan (C1)

LNG

Etan (C2)
Propan (C3)
Khí
thiên
nhiên

Butan

LPG

Phân đoạn nặng
C5+
Xăng thiên nhiên
Condensat
Non Hydrocacbon
( Nước, Cacbonic,…)

NGL

LPG – Liquified Petrolium Gas
NGL – Natural Gas Liquids
LNG – Liquified Natural Gas
SNG – Synthetic Natural Gas


4.1. Các khái niệm về khí thiên nhiên
4.1.1. Đặc điểm, thành phần và phân loại

Phân loại khí thiên nhiên
Phân loại theo
nhiều cách
Theo
nguồn
gốc
Khí đồng hành
Khí không đồng
hành

Theo hàm
lượng khí
axit
Khí chua
Khí ngọt

Theo
thành
phần C3+

Theo
nhiệt trị

Khí khô (khí gầy, khí nghèo)
Khí béo (khí ướt, khí giàu)


4.1. Các khái niệm về khí thiên nhiên
4.1.1. Đặc điểm, thành phần và phân loại
Phân loại khí thiên nhiên theo nguồn gốc

Khí không đồng hành (Unassociaed
Natural Gas):
Ø Là khí được khai thác từ giếng khí
hoặc giếng khí - condensate hay giếng khí
- dầu (trong đó dầu chiếm tỷ lệ thấp).
Ø M ỏ khí (gas well), M ỏ khí - dầu, M ỏ
khí – condensate: Đặc điểm của mỏ này là
nhiệt độ cao (80 – 100oC) và áp suất cao
(P³ 3.107Pa). Trong quá trình khai thác,
khí đến đầu miệng giếng sẽ giảm áp suất
và nhiệt độ khiến phần dầu bị ngưng tụ
gọi là condensate, tách ra khỏi khí thiên
nhiên, thường là C5+..

Khí đồng hành
(Associated Natural Gas)
Ø Là khí hòa tan trong
dầu, lôi cuốn theo dầu
trong quá trình khai thác và
được tách ra khỏi dầu sau
đó.
Ø Khí đồng hành thường
được khai thác từ các mỏ
dầu hoặc các mỏ dầu – khí
trong đó dầu nhiều hơn khí.


4.1. Tổng quan về khí thiên nhiên
4.1.1. Đặc điểm, thành phần và phân loại
Phân loại khí thiên nhiên theo nguồn gốc

Khí không đồng hành
ü Thành phần mêtan là chủ
yếu 70 - 95%, C2 – C5
chiếm tỉ lệ rất thấp.
ü Thành phần khí tương đối
Đặc điểm ổn định, ít thay đổi theo điều
kiện lấy mẫu.
ü Tỷ khối so với không khí
thấp: 0,55 – 0,65.

Khí đồng hành
ü Hàm lượng metan thấp
hơn khí không đồng hành,
hàm lượng C3, C4 và
condensate chiếm tỷ lệ
đáng kể.
ü Thành phần khí thay
đổi nhiều tùy theo điều
kiện lấy mẫu.
ü Tỷ khối so với không
khí cao: ³1


4.1. Tổng quan về khí thiên nhiên
4.1.1. Đặc điểm, thành phần và phân loại
Phân loại khí thiên nhiên

Hình 4.1. Phân loại khí theo nguồn gốc

4.1. Tổng quan về khí thiên nhiên
4.1.1. Đặc điểm, thành phần và phân loại
Phân loại khí thiên nhiên theo thành phần C3+
v Khí khô (dry gas): thành phần khí chủ yếu là metan, không chứa
hoặc chứa rất ít các hydrocacbon C3+.
Khí thiên nhiên được khai thác từ các mỏ khí thuộc loại khí khô.
v Khí ướt (wet gas): ngoài thành phần chủ yếu là mêtan còn có chứa
một lượng đáng kể C3+.
Khí khai thác từ các mỏ khí - condensate và khí đồng hành có chứa
một lượng đáng kể C3+ nên thuộc loại khí béo.
Hàm lượng C 3 + £ 50 g/m 3 : khí khô, khí gầy.
50 g/m 3 < hàm lượng C 3 + < 400 g/m 3 : khí trung bình.
Hàm lượng C 3 + ³ 400g/m 3 : khí béo, khí ướt.


4.1. Tổng quan về khí thiên nhiên
4.1.1. Đặc điểm, thành phần và phân loại
Phân loại khí thiên nhiên theo thành phần C3+
v Khí khô (dry gas): thành phần khí chủ yếu là metan, không chứa
hoặc chứa rất ít các hydrocacbon C3+.
Khí thiên nhiên được khai thác từ các mỏ khí thuộc loại khí khô.
v Khí ướt (wet gas): ngoài thành phần chủ yếu là mêtan còn có chứa
một lượng đáng kể C3+.
Khí khai thác từ các mỏ khí - condensate và khí đồng hành có chứa
một lượng đáng kể C3+ nên thuộc loại khí béo.
Hàm lượng C 3 + £ 50 g/m 3 : khí khô, khí gầy.
50 g/m 3 < hàm lượng C 3 + < 400 g/m 3 : khí trung bình.
Hàm lượng C 3 + ³ 400g/m 3 : khí béo, khí ướt.

4.1. Tổng quan về khí thiên nhiên
4.1.1. Đặc điểm, thành phần và phân loại
Phân loại khí thiên nhiên theo hàm lượng khí axit
v Khí ngọt (sweet gas): hàm lượng H2S (£ 1/4 grains/100sft3) hay
hàm lượng H2S £ 6mg H2S/m3.
v Khí chua (Sour gas): hàm lượng H2S > 1/4 grains/100sft3 hay
hàm lượng H2S > 6mg H2S/m3.
Trong khí chua có chứa các khí axit H2S và CO2 ngoài ra còn có
chứa các hợp chất khác COS, CS2, RSH.


Trữ lượng khí Việt Nam
qTrữ lượng tiềm năng: hơn 2600 tỷ m3
q Trữ lượng xác minh là hơn 900 tỷ m3 .
q Các bồn trũng chứa dầu khí chính (90% trữ lượng có thể thu
hồi): Nam Côn Sơn, Cửu Long, Malay-Thổ Chu và Sông Hồng
Trữ lượng (tỷ m3)
STT

Bể

Thẩm đinh

Tiềm năng

Loại khí

Năm khai
thác

1

Cửu Long

69

97

đồng hành

1995

2

Côn Sơn

300

560

thiên nhiên

2002

3

Malay – Thổ Chu

212

337

thiên nhiên

2003

4

Sông Hồng

381

700

5

Các bể khác
Tổng cộng

1.000
962

2.694

thiên nhiên
đồng hành
thiên nhiên

1981

Tớnh cht vt lý ca khớ thiờn nhiờn
1. Nhit tr
- Nhit tr tng
- Nhit tr thc
Tớnh tc cung cp nhit(kcal/h):
Theồ tớch

(Nm3/h)

Toỏc ủoọ cung caỏp nhieọt (kcal/h)
=
Nhieọt trũ (kcal/Nm3)

2. Trng lng riờng
ỉ Khớ thiờn nhiờn ( metan) nh hn khụng khớ,
ỉ Propan v butan (LPG) nng hn khụng khớ


4.1. Tổng quan về khí thiên nhiên
4.1.2. Các tính chất cơ bản
Tính chất vật lý của khí thiên nhiên
3. Trị số Wobbe của khí thiên nhiên
W= Nhiệt trị / d 0,5
Trong đó: d – trọng lượng riêng của khí thiên nhiên
Trị số Wobbe quan trọng vì những nguyên nhân sau:
§Nhiệt cung cấp: Q = Nhiệt trị*V tỉ lệ thuận với trị số Wobbe.
§Có thể điều chế hỗn hợp propan-không khí có trị số Wobbe như của
khí thiên nhiên.
Khí+propan+không khí; d<1

§Vì propan không khí có nhiệt trị lớn hơn nhiều so với khí thiên
nhiên, nên có thể sử dụng một lượng nhỏ khí cho cùng năng lương
calor tiêu thụ.


4.1. Tổng quan về khí thiên nhiên
4.1.2. Các tính chất cơ bản
Tính chất vật lý của khí thiên nhiên
3. Trị số Wobbe của khí thiên nhiên
§ Có thể phân loại khí theo trị số Wobbe:
HỌ
1 (Khí dân dụng Town gas)
2 (Khí thiên nhiên)
3 (LPG)

TRỊ SỐ WOBBE (MJ/m3)
24,4-28,8
48,2-53,2
72,6-87,8


4.1. Tổng quan về khí thiên nhiên
4.1.2. Các tính chất cơ bản
Tính chất vật lý của khí thiên nhiên
4. Giới hạn chớp cháy: của khí thiên nhiên trong không khí là
5-15% t.t.
5. Hiệu ứng Joule-Thomson.
Khí ở áp suất cao được giãn nở trong bình áp suất thấp, không
sinh công, không có trao đổi nhiệt, thì nhiệt độ khí sẽ giảm
xuống.

4.1. Tổng quan về khí thiên nhiên
4.1.2. Các tính chất cơ bản
Các phương trình trạng thái cơ bản của các khí hydrocacbon
Các phương trình trạng thái cơ bản của các khí hydrocacbon
phụ thuộc vào:
qThông số của hệ
qThành phần hóa học:
phần mol: xi = ni /
phần thể tích : vi = Vi /
phần khối lượng: x’i = gi /


4.1. Tổng quan về khí thiên nhiên
4.1.2. Các tính chất cơ bản
Các phương trình trạng thái cơ bản của các khí hydrocacbon
Trong tính toán kỹ thuật các quá trình chế biến khí:
ØCần xác định tính chất nhiệt động của đơn chất và hỗn hợp
như độ bay hơi, entanpi, entropi, khối lượng riêng.
ØĐể xác định các đại lượng trên, sử dụng các phương trình
trạng thái biểu diễn mối liên hệ giữa nhiệt độ, thể tích và áp suất
của hệ.
ØKhông sử dụng được phương trình trạng thái khí lý tưởng


Phương trình khí lý tưởng: PV = n RT
Các phương trình mô tả trạng thái của khí thực:
vBenedict – Webb – Rubin (BWR):
P = RTr + (BoRT – Ao –Co/T2)r2 + (bRT – a)r3 + aar6

+ cr3/T2(1 + gr3)e-gr2
phương trình biến dạng của BWR: (Starling K.E và Khan 11 thông số):
r2 + (bRT –
P = rRT + (BoRT – Ao – Co/T2 + D0/T2 – Eo/T4)r
gr
gr2 (*)
a – d/T)r
r3 + a(a + d/T)r
r6 + cr
r3/T2(1 + gr2)e-gr

20


Ứng dụng phương trình BWR (*):
ØTính thể tích riêng, entanpi, entropi và độ bay hơi của mỗi cấu
tử trong giới hạn nhiệt độ rộng từ -162 – 260oC, P = 0.01 – 56 Mpa.
Ø Sử dụng trong công nghệ chế biến hydrocacbon:
§Tách nito và heli từ khí thiên nhiên,
§ Chế biến khí thiên nhiên ở nhiệt độ thấp -157 – 143oC,
§ Quá trình phân ly HC nhẹ, hấp phụ ở nhiệt độ thấp -73 -312
oC,

§ Tính toán chu trình lạnh với tác nhân lạnh hỗn hợp
21


v Redlich – Kewong (RK):
P = RT/(v - b) – a/[T1/2n(n
n + b)]

phương trình biến dạng của RK:
- Chuen - Prausnitz:
Thay wa và wb = const bằng wa và wb cho mỗi cấu tử
- Lee – Edmister
Ứng dụng phương trình RK :
üCho dãy rộng HC và không HC, các phân tử có cực (HS,
NOx) bị hạn chế.
ü Phương trình biến thể RK được dùng để tính các hệ số bay
hơi, khối lượng riêng, hệ số nén, entanphi và entropi của các pha
khí chứa HC cũng như H2S, CO2, N2, H2.
22


Phương trình mô tả khí thực được sử dụng phổ biến:

z: hệ số nén – là hàm số của các thông số của các phương trình nói trên
Bài tập 1: Xác định hệ số Z của hỗn hợp khí ở 13,94 MPa (2021 psia)
và 3310K (5950R)
Thành phần

Yi
(%mol)

N2
CO2
H2S
C1
C2
C3
i-C4

n-C4
∑

0.0046
0.0030
0.1438
0.8414
0.0059
0.0008
0.0003
0.0002
1000

Tc

(0R)

227
548
672
343
550
666
734
765

Pc
(psia)

Tc

(0K)

493
1071
1300
666
707
617
528
551

126
304
373
191
305
370
408
425

Pc (MPa)
3.40
7.38
8.96
4.60
4.88
4.25
3.65
3.80
23

4.1. Tổng quan về khí thiên nhiên
4.1.2. Các tính chất cơ bản
Trạng thái pha – Giản đồ pha

Hình 4.2. Giản đồ pha điển hình cho đơn chất trong hệ tọa độ P,24V, T


4.1. Tổng quan về khí thiên nhiên
4.1.2. Các tính chất cơ bản
Trạng thái pha – Giản đồ pha
Trạng thái pha của đơn chất trong hệ trục áp suất- nhiệt độ
• Các đường HD, HC và HF: các
đường cân bằng
• H: điểm ba pha
• FH: pha rắn có thể thăng hoa
thành khí
• HD: đường cân bằng giữa pha rắn
và lỏng (đường bão hòa rắn – lỏng
hoặc cân bằng rắn – lỏng).

Hình 4.3. Sơ đồ trạng thái pha của đơn chất
trong hệ trục P - T

• HC: Đường cân bằng hơi – lỏng,
đường áp suất hơi, đường điểm
bong bóng hay đường điểm
sương.
• C - Điểm tới hạn với nhiệt độ tới

hạn ( Tc ) và áp suất tới hạn (Pc).25